ДЕТОНАЦИЯ КАК АЛЬТЕРНАТИВА ГОРЕНИЮ
Более 100 лет назад после разрушительных взрывов в угольных шахтах ученые, исследующие их причины, обратили внимание на процесс распространения взрывной волны со сверхзвуковой скоростью, сопровождающийся химическими реакциями. Названный впоследствии «детонацией», он рассматривался как вредный, губительный и неуправляемый. Борьба с ним стала основным стимулом интенсивного развития теории детонационного горения, проведения широкого круга физических экспериментов, направленных на организацию процесса и определение способов управления им. По мере накопления знаний негативное отношение к детонации сменилось на желание использовать «разрушительный» потенциал физического явления во благо.
В последние годы зарубежные авиационно-космические организации и компании, в частности Франции, Японии, США и Китая, проявляют повышенный интерес к изучению эффектов и возможностей применения детонационного горения в воздушно-реактивных двигателях разного типа. В нашей стране этими проблемами занимаются в подразделениях Сибирского отделения РАН. В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, например, исследу-
ют так называемые непрерывные детонационные быстропротекающие процессы, имеющие решающее значение при создании нового типа реактивных двигателей. Об истории развития дисциплины и последних разработках ученых в этой области корреспонденту газеты «Наука в Сибири» Юлии Александровой рассказал заведующий лабораторией динамики гетерогенных систем этого института доктор физико-математических наук Сергей Ждан.
«В настоящее время, — сообщил он, — мы рассматриваем способ детонационного сжигания топлив как альтернативу традиционному, в турбулентном пламени. Он позволит более интенсивно, выгодно и стабильно проводить сжигание разных топлив в камерах меньших габаритов, которые определяются поперечным размером фронта детонационной волны».
Эту тему, заметил Сергей Андреевич, впервые теоретически исследовал более 70 лет назад выдающийся физик, один из основателей современной теории горения, детонации и ударных волн академик Яков Зельдович. Он показал, что с точки зрения термодинамики детонационное горение топливной смеси, при котором фронт детонации распространяется
Основатель и первый директор Института гидродинамики СО АН СССР академик Михаил Лаврентьев (справа) и доктор физико-математических наук Богдан Войцеховский.
быстрее скорости звука, более выгодно, чем дефлаг-рационное, т.е. протекающее с дозвуковыми скоростями. Однако, несмотря на «революционные» выводы, экспериментальные исследования проблемы начались только 20 лет спустя. Они послужили основой для создания серии пульсирующих детонационных авиационных двигателей.
Принцип их работы заключается в следующем: в камеру сгорания поступает топливная смесь, затем происходит ее инициирование, распространение детонационной волны вдоль камеры и после — истечение продуктов горения, которые выполняют механическую работу. Затем цикл повторяется. Недостаток такой технологии заключается в относительно малом количестве пульсаций в единицу времени (частоте повторения циклов). Увеличение же этого показателя усложняет конструкцию двигателя. К тому же такая силовая установка работает шумно, причем подача топлива должна быть дозированной для инициирования каждого цикла детонации. Иное дело непрерывный спиновой (вращающийся) детонационный процесс, когда реализована возможность постоянной незатухающей детонации топливной смеси в кольцевой камере сгорания.
Как отметил Сергей Ждан, впервые тонкую структуру явления спиновой детонации в газах зарегистрировал в 1957 г. выдающийся ученый-механик, физик и конструктор академик Богдан Войцеховский, работавший в то время в новосибирском Институте гидродинамики СО АН СССР. Благодаря фоторегистратору собственного изобретения ему удалось сфотографировать и расшифровать неодномерную
структуру фронта спиновой детонационной волны, движущейся по ударной трубе в топливной смеси. В отличие от плоской, в спиновой детонации возникает единственная поперечная ударная волна, за которой следует слой непрореагировавшего нагретого газа, а затем зона химической реакции. Такая волна движется вдоль круглой ударной трубы со скоростью детонации по спирали. В дальнейшем ученый усовершенствовал метод оптической съемки и создал модель спиновой детонации, объясняющую многие особенности и закономерности явления, что имело огромный практический интерес для науки.
Войцеховский предложил, используя аналогию со спиновой детонацией, реализовать в специальных кольцевых камерах непрерывное сжигание горючей смеси во вращающихся детонационных волнах и сам успешно провел первые эксперименты (1959 г.). Работы ученого и его коллег в этой области были удостоены Ленинской премии (1965 г.) и отмечены двумя открытиями (совместно с сотрудниками Института химической физики СО АН СССР).
Под непосредственным руководством Войцехов-ского начал блестящую карьеру исследователя и инженера, продолжавшуюся более сорока лет, доктор физико-математических наук Владислав Митрофанов (1935—2001), прошедший в стенах Института гидродинамики СО АН СССР путь от лаборанта до заведующего лабораторией динамики гетерогенных систем и руководителя отдела быстропротекающих процессов.
Первый цикл работ Митрофанова связан с открытиями неустойчивости фронта и расщепления волны
Заведующий лабораторией динамики гетерогенных систем отдела быстропротекающих процессов Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН Сергей Ждан, главный научный сотрудник Федор Быковский и ведущий инженер Евгений Ведерников.
Фото В. Новикова
газовой детонации, детальным исследованием обнаруженных ранее ячеистых структур, построением теоретических схем поперечных волн. Он первым получил фотоснимки таких структур внутри труб разного диаметра и показал независимость их образования от стенок, подтвердил, что детонационные ячейки формируются встречным движением поперечных волн. Митрофанов, по сути, развил и уточнил концепцию Войцеховского о поперечной волне и ее роли в механизме детонационного сгорания газов. Работы ученого получили широкое признание в стране и за рубежом, они дали толчок новым широкомасштабным исследованиям и оказались практически важными для определения критических условий возбуждения и распространения взрыва в газообразных средах. А это имело прямое отношение к вопросам безопасности транспортировки больших количеств горючих веществ, возникновения аварийных ситуаций на производстве, в быту, угольных шахтах.
Полученные в перспективной области знания послужили также основой для создания в 1980-х годах установок детонационного напыления. Экономический эффект от их внедрения на предприятиях только одного Министерства авиационной промышленности составлял ~15 млн руб. в год — колоссальная по тем временам сумма. Дальнейшее изучение процесса дало толчок к использованию свойств детонационных волн в других, более масштабных созидательных целях — для интенсификации сжигания топлива в реактивных двигателях.
Творческие наработки Митрофанова продолжили его коллеги. В настоящее время в связи с интенсивным развитием компьютерной техники, сказал в интервью газете «Наука в Сибири» Сергей Ждан, особую актуальность приобретает вычислительный эксперимент, основанный на численном моделировании процесса непрерывной спиновой детонации газовых и гетерогенных систем. Он помогает глубже понять результаты натурных испытаний, дает возможность сопоставлять их с теорией и на основе этого выстраивать верную физическую интерпретацию.
«На данный момент, — сообщил Ждан, — мы считаем, что фундаментальные научные основы быстро-протекающего процесса непрерывной детонации заложены. И есть надежда, что на принципе непрерывной спиновой детонации будут создавать двигатели различного назначения. Ведь коэффициент полезного действия здесь выше, чем при горении. А раз КПД больше, значит, и работа, совершаемая продуктами детонации, тоже должна быть больше. При сжигании одинакового количества топлива вы сможете увеличивать эффективность сжигания
горючего. То есть при фиксированном количестве топлива на борту увеличивается тяга двигателя, или уменьшаются его размеры, или аппарат летит на более дальние расстояния. Вот что такое попытка увеличения КПД».
В минувшем году Ждан в соавторстве с доктором технических наук Федором Быковским опубликовал монографию «Непрерывная спиновая детонация», в которой представлены итоги многолетних экспериментальных и численных исследований детонационного сгорания широкого класса топлив для дальнейшего практического использования в двигателях и энергетических установках. Как термодинамически более выгодное, оно не везде может заменить традиционное турбулентное горение, замечают авторы. Но там, где необходимо быстро и интенсивно сжигать топливо в малых габаритах устройства при меньшей теплонапряженности стенок, детонационное горение может найти достойное применение.
Александрова Ю. Просто продолжать работать. — Газета «Наука в Сибири», 2014, № 5
Иллюстрации с сайта СО РАН Материал подготовила Марина ХАЛИЗЕВА
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.